Обычный свет превратили в устойчивый квантовый вычислительный резервуар

Физики Луизианского государственного университета (LSU) превратили обычный — классический — яркий свет в платформу для квантовой обработки информации, действующую при комнатной температуре и сохраняющую работоспособность при значительных шумах и потерях. Это лабораторная демонстрация квантового резервуарного вычисления, а не универсальный квантовый компьютер.

Парадокс: квантовые эффекты из классического источника

Большинство квантовых вычислительных подходов требуют тщательно подготовленных квантовых источников света — одиночных фотонов или запутанных состояний. Их создание и поддержание крайне сложно и дорого. Команда LSU избрала другой путь.

Яркий лазерный пучок — классический источник — направляли через сеть светоделителей и зеркал. При этом использовались детекторы с разрешением числа фотонов (photon-number-resolving, PNR). В отличие от обычных детекторов, которые лишь фиксируют факт прихода света, PNR-детекторы могут различать, сколько именно фотонов прибывает одновременно. Именно это измерение и вводит в игру квантовые многофотонные статистики — даже при классическом источнике.

Из-за квантовой природы статистики фотонов яркий свет неизбежно содержит флуктуации в числе фотонов. Команда превратила эти флуктуации в ресурс для обработки информации. Система выделяла многофотонные состояния с числом до 40 фотонов и обеспечивала 861 измеряемый компонент — измерения, которые составляют «выходной вектор» системы.

Что умеет резервуар

Подход, задействованный в работе, — это так называемое резервуарное вычисление: парадигма, при которой сложная нелинейная система служит «резервуаром», преобразующим входные данные во множество различных выходных значений. Обучается только финальный слой, сопоставляющий эти значения с нужным ответом. Это значительно проще полноценного обучения квантовой нейронной сети.

Ключевые достижения, продемонстрированные в работе:

• одна физическая конфигурация оптической сети воспроизводила квантовую динамику систем;
• система обучилась вычислять шесть различных математических функций без физической перенастройки резервуара;
• система работала при комнатной температуре и сохраняла полезные результаты даже при значительных шумах и оптических потерях;
• в отличие от многих квантовых подходов, требующих глубокого охлаждения или экранирования, данная установка ориентирована на реалистичные лабораторные условия.

Перспективы и ограничения

Авторы указывают: дальнейшее масштабирование системы во многом зависит от скорости и возможностей PNR-детекторов. Нынешние детекторы ограничивают как максимальное число различимых фотонов, так и пропускную способность системы. Работа демонстрирует принцип и возможный путь к более крупным многофотонным платформам — но не является готовым вычислительным устройством.

«Поскольку эксперимент проводится при комнатной температуре и остаётся полезным даже при наличии шумов и потерь, он указывает на квантовые технологии, разработанные для реалистичных лабораторных условий, а не для идеально изолированной среды», — подчёркивают авторы.

Читайте также по теме: усилении связи света и звука в замороженном волокне.

Открытие также показывает: граница между «классическим» и «квантовым» светом определяется не только источником, но и способом измерения. При PNR-детектировании обычный лазер может обеспечить доступ к высокоразмерному квантовому пространству состояний.